BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI        LÊ THỊ THÚY NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ðẶC CHÂN KHÔNG TRONG DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CHÈ HÒA TAN TỪ LÁ CHÈ TƯƠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành : KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số : 60.52.01.03 Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THANH HẢI HÀ NỘI - 2013 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… i Lời cam ñoan Tôi xin cam ñoan những số liệu và kết quả thí nghiệm trong luận văn là trung thực ñều có ñược trên cơ sở ño ñạc thí nghiệm, và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào Tôi xin cam ñoan mọi sự giúp ñỡ trong luận văn ñều ñược cảm ơn và các thông tin ñược sử dụng ñều có nguồn gốc và trích dẫn rõ ràng. Tác giả Lê Thị Thúy Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện ñề tài, tôi ñã nhận ñược nhiều sự giúp ñỡ của các thầy cô, ñồng nghiệp, các cơ quan, bạn bè. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô, ñồng nghiệp và bạn bè. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thanh Hải người ñã hướng dẫn, chỉ bảo, khích lệ tôi tận tình trong suốt quá trình làm ñề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô trong Bộ môn thiết bị bảo quản và chế biến nông sản, Khoa Cơ - ðiện, Khoa Công nghệ thực phẩm trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã giúp ñỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện ñề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh ñạo Viện máy nông nghiệp, TS. Nguyễn ðình Tùng Viện trưởng Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nông nghiệp, ThS. ðoàn Văn Cao cùng ñồng nghiệp trong cơ quan ñã tạo ñiều kiện giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện ñề tài. Xin chân thành cảm ơn sinh viên Nguyễn Thị Dinh, Nguyễn Thị Lan Hương khóa 54 ngành công nghệ thực phẩm Trường ðHNN Hà Nội ñã giúp ñỡ và hỗ trợ tôi rất nhiều trong thời gian thực hiện ñề tài. Trong quá trình thực hiện ñề tài bản thân ñã có rất nhiều cố gắng song không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong ñược sự góp ý của các thầy cô cùng toàn thế các bạn ñể ñề tài ñược hoàn thiện hơn. Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 0 MỞ ðẦU 1 I. Tính cấp thiết 1 II. Mục ñích và nhiệm vụ nghiên cứu 3 A. Mục ñích nghiên cứu 3 B. Nhiệm vụ nghiên cứu 3 CHƯƠNG 1 4 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4 1.1 Tổng quan về cây chè 4 1.1.1. Tên gọi và nguồn gốc cây chè 4 1.1.2. Phân loại các giống chè 4 1.1.3. Các ñồi chè ở Việt Nam 6 1.2. Thành phần hóa học của lá chè 7 1.3. Tác dụng của lá chè 10 1.4. Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè trên thế giới và Việt Nam 12 1.4.1. Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè trên thế giới 12 1.4.2. Tình hình sản xuất và tiêu thụ chè ở Việt Nam 14 1.5. Quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan 15 1.5.1. Tìm hiểu sơ lược nguồn nguyên liệu chế biến chè hòa tan 15 1.5.2. Quy trình chế biến chè hòa tan 16 1.5.3. Một số sản phẩm trà hòa tan trên thị trường Việt Nam 19 1.6. Tổng quan nghiên cứu thiết bị cô ñặc trên thế giới và Việt Nam 19 1.6.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thiết bị cô ñặc trên thế giới 21 1.6.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu thiết bị cô ñặc ở Việt Nam 34 CHƯƠNG 2 36 ðỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 2.1. ðối tượng nghiên cứu 36 Hình 2.1. Sơ ñồ công nghệ và thiết bị cô ñặc dung dịch chè 36 2.2. Vật liệu, thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 38 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iv 2.2.1. Vật liệu thí nghiệm 38 2.3. Phương pháp nghiên cứu 40 CHƯƠNG 3 44 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH CÔ ðẶC 44 3.1. Một số tính chất vật lý của quá trình cô ñặc 44 3.2. Cơ sở lý thuyết về loại bỏ nước 47 3.3. Cơ sở tính toán nhiệt ñộ sôi và tổn thất nhiệt ñộ của dung dịch 49 CHƯƠNG 4 53 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 53 4.1. Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc 53 4.2. Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc ñến tính chất cảm quan của dịch ép 54 4.3. Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc 55 4.4. Nhận xét 58 CHƯƠNG 5 60 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CÔ ðẶC VÀ THIẾT BỊ PHỤ 60 5.1. Tính lượng hơi nước bốc hơi sau quá trình cô ñặc. 60 5.2. Tổn thất nhiệt ñộ trong thiết bị 61 5.2.1. Tính tổn thất nhiệt ñộ do nhiệt ñộ sôi 61 5.2.2. Tổn thất nhiệt do trở lực thủy lực gây 62 5.2.3. Tính tổn thất nhiệt ñộ do áp suất thủy tĩnh 62 5.2.4. Hiệu số nhiệt ñộ hữu ích của thiết bị cô ñặc [3, trang 147] là. 62 5.3. Tính toán kích thước thiết kế thiết bị cô ñặc chân không 63 5.4. Nhiệt lượng tiêu hao chung ñể làm bay hơi dung dịch 64 5.4.1. Tính toán nhiệt tổn thất Q 6 65 5.4.2. Lượng hơi ñốt cần thiết làm bay hơi dung dịch 66 5.5. Tính bề dày của thiết bị cô ñặc chân không 66 5.6. Tính toán thiết bị ngưng tụ 68 5.7. ðường kính các ống dẫn và cửa ra vào của thiết bị 69 5.8. ðường kính ống dẫn hơi ñốt 70 5.9. ðường kính ống dẫn dung dịch 70 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… v 5.10. ðường kính ống dẫn hơi thứ 70 5.11. Tính ñường kính ống dẫn nước vào thiết bị ngưng tụ 71 5.12. Chọn bơm chân không vòng nước: 71 KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 73 Kết luận 73 ðề nghị 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vi Danh mục hình Hình 1.1. Giống chè Trung Quốc lá to 4 Hình 1.2. Giống chè Trung Quốc lá ……………………………………… …5 Hình 1.3. Giống chè Shan 5 Hình 1.4. Giống chè Ấn ðộ 5 Hình 1.5. ðồ thị biểu hiện diện tích, sản lượng chè thế giới 13 Hình 1.6. Thị trường xuất khẩu chè ở Việt Nam năm 2009 15 Hình 1.7. Quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan 17 Hình 1.8. Quy trình công nghệ chế biến chè hòa tan từ lá chè tươi 17 Hình 1.9. Một số sản phẩm chế biến từ chè hòa tan. 19 Hình 1.10. Sơ ñồ nguyên lý thiết bị cô ñặc có ống tuần hoàn trung tâm 21 Hình 1.11. Thiết bị cô ñặc phòng ñốt treo 22 Hình1.12. Thiết bị cô ñặc có phòng ñốt ngoài thẳng ñứng 23 Hình 1.13. Thiết bị cô ñặc phòng ñốt ngoài nằm ngang 24 Hình 1.14. Thiết bị cô ñặc tuần hoàn cưỡng bức 25 Hình 1.15. Thiết bị cô ñặc không tuần hoàn loại màng 26 Hình 1.16. Thiết bị cô ñặc có vành dẫn chất lỏng 27 Hình 1.17. Sơ ñồ thiết bị cô ñặc thẩm thấu ngược 28 Hình 1.18. Sơ ñồ nguyên lý cấu tạo và thiết bị cô ñặc một nồi 29 Hình 1.19. Sơ ñồ nguyên lý cấu tạo thiết bị cô ñặc ba nồi xuôi chiều 30 Hình 1.20. Sơ ñồ thiết bị cô ñặc nhiều nồi ngược chiều 31 Hình 1.21. Sơ ñồ thiết bị cô ñặc 3 nồi song song 31 Hình 1.22.Thiết bị máy cô ñặc tuần hoàn ngoài 2cấp 32 Hình 1.23. Sơ ñồ nguyên lý và hình ảnh máy cô ñặc chân không dạng thùng quay 34 Hình 2.2. Nguyên liệu lá chè già (03 lá gốc của cành chè) 38 Hình 2.3. Thiết bị cô quay chân không 39 Hình 2.4. Một số dụng cụ ñã sử dụng trong thí nghiệm 39 Hình 2.5. ðường chuẩn axit gallic. 41 Hình 3.1. Quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi 47 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vii Hình 3.2 ðường cong nhả (theo Gornarin 1974) 48 Hình 3.3. ðồ thị thay ñổi nhiệt ñộ trong quá trình cô ñặc 51 Hình 4.1. Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc ñến hàm lượng chất hòa tan 54 Hình 4.2. Ảnh hưởng của ñiều kiện cô ñặc ñến hàm lượng cafein và 56 Hình 4.3. ðồ thị trên biểu hiện mối quan hệ giữa nồng ñộ chất khô 57 Hình 4.4. Sự thay ñổi màu sắc/nồng ñộ chất khô ở 57 Hình 4.5. Sản phẩm chè hòa tan thu ñược từ công ñoạn cô ñặc 58 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 1 MỞ ðẦU I. Tính cấp thiết Chè là một loại ñồ uống ưa thích của nhiều người dân Á ðông cũng như trên thế giới. Ở Việt Nam, cây chè không những rất thân quen gần gũi mà từ lâu thưởng thức chè, uống chè ñã ñi vào ñời sống của người Việt tạo nên một nét ñẹp văn hóa vừa bình dị mà dài lâu. Trong bối cảnh hội nhập kinh tế quốc tế ngày càng sâu rộng hiện nay của ñất nước, cây chè ñã vượt ra ngoài biên giới quốc gia và việc xuất khẩu chè ñóng vai trò quan trọng ñã và ñang trở thành một trong những ngành xuất khẩu mũi nhọn của cả nước. Mặt khác, hiện nay ngành chè cũng ñang trực tiếp giải quyết việc làm cho hàng triệu lao ñộng với thu nhập không nhỏ và kéo theo hàng loạt các ngành nghề khác cùng phát triển ñặc biệt là ngành công nghiệp chế biến, tạo ra ñộng lực quan trọng thúc ñẩy các quan hệ kinh tế ñối ngoại phát triển, thực hiện mục tiêu công nghiệp hóa-hiện ñại hóa nông nghiệp nông thôn Việt Nam. Với ưu thế về khí hậu, ñất ñai thổ nhưỡng, lao ñộng và sự ưa chuộng của thị trường thế giới, mặt hàng chè Việt Nam ñã tự hào ghi tên mình trên bản ñồ chè thế giới, hiện tại Việt Nam là nước ñứng thứ 5 thế giới về sản lượng và kim ngạch xuất khẩu chè. Khoa học phát triển, các nghiên cứu về chè ngày càng chứng tỏ sản phẩm chè không những có mùi vị thơm ngon, hấp dẫn người thưởng thức mà còn mang lại vô số những lợi ích có giá trị cho sức khỏe con người ví dụ tác dụng giải nhiệt chống khát, lợi niệu giải ñộc kích thích tiêu hóa, làm giảm mỡ máu và chống béo phì, cải thiện trí nhớ, tăng cường chức năng miễn dịch, chống viêm loét ñường tiêu hóa, … Vì thế, ngày càng có nhiều người sử dụng chè làm thức uống chính bổ sung cho cơ thể. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 2 kéo theo xã hội càng phát triển khi ñó thời gian ñể thưởng thức chè theo cách truyền thống bị hạn chế. Nhiều người có xu hướng chuyển sang chọn lựa các sản phẩm chè ñược chế biến sẵn sử dụng nhanh gọn và tiết kiệm thời gian. Do ñó, nhiều nhà khoa học cùng với các công ty, nhà máy, doanh nghiệp ñã tìm cách chế biến các loại chè sao cho ñáp ứng nhu cầu của xã hội như chè hòa tan, chè túi lọc, nước chè ñóng chai, Tuy nhiên, sản phẩm chè hòa tan sao cho có hương vị ñáp ứng nhu cầu của người Việt Nam chưa ñược quan tâm nghiên cứu. Xuất phát từ những nhu cầu thực tế trên, ñể tạo ra sản phẩm mới sao cho có thể sử dụng trực tiếp hoặc làm nguyên liệu cho nhiều sản phẩm chè chế biến khác, ña dạng hóa sản phẩm chè chế biến, tăng giá trị cây chè Việt Nam ñáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước cũng như xuất khẩu. Dưới sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Thanh Hải cùng sự giúp ñỡ của các thầy cô trong Khoa Cơ - ðiện, Khoa Công nghệ thực phẩm Trường ñại học Nông nghiệp Hà Nội tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài: ‘‘Nghiên cứu tính toán, thiết kế thiết bị cô ñặc chân không trong dây chuyền công nghệ sản xuất bột chè hòa tan từ lá chè tươi”. Trong quy trình công nghệ sản xuất bột chè hòa tan từ lá chè, cô ñặc là một trong những khâu quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp ñến năng suất, chất lượng sản phẩm và chi phí giá thành cho quá trình sản xuất. Ở nước ta hiện nay, các thiết bị cô ñặc chủ yếu ñược nhập khẩu từ nước ngoài, giá thành cao và không hoàn toàn phù hợp ñể cô ñặc dịch chè – một loại dung dịch có hàm lượng chất khô hòa tan ban ñầu rất thấp và rất dễ biến ñổi dưới tác dụng của nhiệt, vì vậy việc nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị cô ñặc nhằm hoàn thiện dây chuyền sản xuất bột chè hòa tan từ lá chè tươi là rất cần thiết. [...]... v nghiên c u A M c ñích nghiên c u - Có ñư c các tính toán, thi t k cơ b n c a thi t b cô ñ c chân không m t n i c nh góp ph n hoàn thi n thi t b trong dây chuy n công ngh s n xu t b t chè hòa tan t lá chè tươi ñáp ng nhu c u xã h i B Nhi m v nghiên c u - Tìm hi u t ng quan nghiên c u v cây chè, công ngh và thi t b cô ñ c chân không - L a ch n sơ ñ quy trình công ngh ch bi n chè hòa tan t lá chè tươi. .. Hình 1.7 Quy trình công ngh ch bi n chè hòa tan a Chè xanh hòa tan; b Chè ñen hòa tan Nguyên li u (lá chè già, ñ t chè tươi) Sơ ch Di t men Nghi n, ép, l c D ch Cô ñ c (chân không) Bã chè X lý , b sung ch ph m vi sinh S y B t chè hòa tan ðóng bao b o qu n Phân bón s d ng ñ bón cho chè Hình 1.8 Quy trình công ngh ch bi n chè hòa tan t lá chè tươi Gi i thích sơ ñ quy trình công ngh Chè ñư c r a s ch,... trình công ngh ch bi n chè hòa tan (hình 1.18) ñáp ng ñư c yêu c u t lá chè tươi, không qua công ngh ch bi n thành chè thành ph m do ñó ñáp ng ñư c màu s c, mùi v c a chè Nguyên li u (ñ t chè Nguyên li u (ñ t chè Làm héo Làm héo Di t men Vò, nghi n Vò Lên men Làm khô (phơi, s y, Làm khô (s y) Chè xanh Chè ñen Trích ly Trích ly Cô ñ c Cô ñ c S y l nh ho c s y S y l nh ho c s y B t chè xanh hòa B t chè. .. tan 1.5.2 Quy trình ch bi n chè hòa tan Qua phân tích, tìm hi u, nghiên c u quy trình ch bi n chè hòa tan ñã ñư c s n xu t t i các nư c trên th gi i như hình (1.7) cho th y ch y u các nư c s d ng chè thành ph m chè xanh, chè ñen trong quy trình ch bi n chè hòa tan do v y quy trình này không thích h p v i vi c s n xu t chè hòa tan u ng li n t lá chè tươi D a trên các quy trình công ngh c a các nư c k t... m chè ñen, chè xanh thì ngày nay ph n l n chuy n sang dùng s n ph m chè: chè hòa tan, chè túi nhúng, chè dư c th o, chè u ng li n, chè h u cơ…s n ph m chè túi nhúng (chè túi l c): Xu t hi n năm 1904 nhưng ñ n năm 1970 m i ñư c thương m i hoá và trong vòng hai mươi năm qua ñã tăng t 20% lên ñ n 90% th ph n tiêu th chè Có th coi chè túi nhúng là bư c ngo t ñ u tiên trong quá trình công ngh ch bi n chè. .. o nên s n ph m b t trà hoà tan có ñ hoà tan t t và sau ñó ñem d ch l c ñi cô ñ c chân không Công ño n cô ñ c làm tăng n ng ñ ch t khô trong d ch tri t,và chu n b cho quá trình s y, m c ñích làm gi m m t lư ng nư c khá l n trong d ch chè trư c khi ñưa vào s y do ñó làm gi m ñáng k chi phí v năng lư ng và c th i gian s y Công ño n s y phun làm b c hơi nhanh nư c trong dung d ch chè t o s n ph m d ng b... phân b không ñ ng ñ u, chi m kho ng 15% t ng lư ng ch t khô c a lá chè tươi Protein có th k t h p v i tr c ti p v i Tanin, polyphenol, t o ra nh ng h p ch t không tan làm ñ c nư c chè ñen Nhưng trong ch bi n chè xanh protein k t h p v i m t ph n Tanin làm cho v ñ ng và chát gi m ñi, vì th ch ng m c nào ñó Protein có l i cho ph m ch t chè xanh Ngày nay, ngư i ta ñã tìm th y 17 acid amin có trong chè Trong. .. khô trong lá chè tươi Cafein có kh năng liên k t v i tanin và các s n ph m oxi hóa c a tanin ñ t o nên các mu i Tanat cafein Các mu i này tan trong nư c nóng, không tan trong nư c l nh và t o nên hương thơm, và s c nư c chè xanh, gi m v ñ ng và nâng cao ch t lư ng thành ph m Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t ………………………… 8 - Protein và acid amin: Protein trong búp chè. .. ng các nư c phương Tây S n ph m Chè hoà tan: m c dù ñư c sáng ch t hơn m t trăm năm nhưng mãi g n ñây m i ñư c s n su t và tiêu th nhi u Hi n nay, có 8 nư c s n xu t chè hoà tan ñó là: Mĩ, Th y Sĩ, Anh, Xrilanca, n ð , Kenya, Nh t B n và Trung Qu c s n ph m chè hòa tan ñư c tiêu th ch y u Mĩ, ư c tính m i năm Mĩ tiêu th kho ng 85.000 t n chè/ năm trong ñó lư ng chè hoà tan chi m 33% Trư ng ð i h c Nông... ñòi h i nhà nghiên c u s n xu t chè ph i làm sao ñ cho chè có s c c nh tranh l n v i các lo i nư c u ng khác, như v y s thúc ñ y s phát tri n b n v ng ñ i v i ngành chè th gi i nói chung và Vi t Nam nói riêng 1.5 Quy trình công ngh ch bi n chè hòa tan 1.5.1 Tìm hi u sơ lư c ngu n nguyên li u ch bi n chè hòa tan Chè hòa tan hay chè tinh ch t, là ph n khô thu ñư c khi s y phun dung d ch chè có n ng ñ . ñích nghiên cứu - Có ñược các tính toán, thiết kế cơ bản của thiết bị cô ñặc chân không một nồi cỡ nhỏ góp phần hoàn thiện thiết bị trong dây chuyền công nghệ sản xuất bột chè hòa tan từ lá chè. Công nghệ thực phẩm Trường ñại học Nông nghiệp Hà Nội tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài: ‘ Nghiên cứu tính toán, thiết kế thiết bị cô ñặc chân không trong dây chuyền công nghệ sản xuất bột chè.        LÊ THỊ THÚY NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CÔ ðẶC CHÂN KHÔNG TRONG DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT BỘT CHÈ HÒA TAN TỪ LÁ CHÈ TƯƠI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ